Attosekund-ur afslører elektroners kvantemekaniske opførsel
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Attosekund-ur afslører elektroners kvantemekaniske opførsel

Fysikerne har haft mange formodninger om den tid, det tager for en elektron at gennembryde en energibarriere via den kvantemekaniske tunneleffekt.

Et samarbejde mellem forskere ved ETH - det tekniske universitet i Zürich - og Aarhus Universitet viser, at selv i komplekse atomer som argon er tunneltiden nul. Samtidig har forskerne løst den vanskelige opgave at bestemme præcist, hvor elektronen kommer ud på den anden side af barrieren.

Det ene øjeblik befinder elektronen sig trygt i atomets sikre favn - holdt tilbage af en energibarriere, som i henhold til klassiske fysiske regler er fuldstændig ubrydelig. Det næste øjeblik er elektronen i en afstand af flere atomradier på vej væk fra atomet som en fri og ubunden elektron - hjulpet på vej af kvantemekanikkens regler i form af tunneleffekten.

Læs også: Kvantemekanisk trick gør mobilskærme ekstra trykfølsomme

Rejsen gennem det 'forbudte område' er foregået momentant.

Det er i modstrid med en ældre forudsigelse for tunneltiden baseret på den såkaldte Landuaer-Büttiker-teori, som groft sagt angiver, at tunneltiden er længden af tunnelbarrieren divideret med hastigheden for elektronen.

Kun få målinger af tunneltiden

Det har både krævet en avanceret måleopstilling og en dedikeret teori for den dansk-schweiziske forskningsgruppe at komme frem til, at tunneltiden er nul, og bestemme elektronens exit-punkt.

Når atomer udsættes for et laserfelt, kan der dannes en asymmetrisk energibarriere, som elektroner i atomet kan gennembryde via den kvantemekaniske tunneleffekt og derved undslippe fra atomet.

Barrieren vil i typiske forsøgsopstillinger have en længde, der svarer til ca. fem atomare enheder - eller omkring 0,25 nanometer.

»Der er ikke mange eksperimenter om tunneltid. Men Ursula Kellers forskningsgruppe ved ETH viste for tre år siden, at tunneltiden for elektroner i et heliumatom var nul - inden for en måleusikkerhed på ca. ti attosekunder,« siger Lars Bojer Madsen fra Aarhus Universitet.

Et attosekund er 10^-18 sekunder eller en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund.

Læs også: Kvantemekanisk gennembrud: Fotonens vej gennem to spalter kortlagt

Nu har de schweiziske forskere gentaget deres eksperiment med mere komplekse atomer i form af argonatomer. De har hentet hjælp fra Lars Bojer Madsen og Darko Dimitrovski fra Aarhus Universitet til at lave en korrekt fortolkning af deres målinger.

Attosekundviser

I det nye eksperiment benytter ETH-forskerne en laserpuls med en varighed på 7 femtosekunder. Den består af tre optiske svingninger fra en laser med en bølgelængde på 740 nanometer.

Laserpulsen sendes gennem en kvartbølgeplade, der giver anledning til en cirkulær polarisation af det elektromagnetiske felt knyttet til laserpulsen.

I deres artikel i Nature Physics beskriver forskerne mere indgående, hvordan den roterende elektriske feltvektor på den måde giver en tidsreference svarende til viseren på et ur, og hvordan der derved kunne opnås en målenøjagtighed på 10 attosekunder.

Lars Bojer Madsen forklarer, at elektronernes tunneltid ville være omkring 100 attosekunder, hvis den kunne forklares med Landauer-Büttiker-teorien.

»Rent faktisk er det en tunneltid på nul attosekunder, som beskriver eksperimenterne bedst,« siger han.

Kompliceret analyse

Analysen af, hvordan elektroner undslipper argonatomet gennem energibarrieren, er meget mere kompliceret end for samme proces i heliumatomer. Særligt vanskeligt er det at bestemme exit-punktet.

Det er bl.a. nødvendigt at tage højde for, at der sker en ændring af de spektrale linjer i atomet på grund af det elektriske felt - et forhold kendt som Stark-effekten.

Et andet forhold, som har stor betydning i et argonatom med mange elektroner, er en multielektroneffekt, som bevirker, at tunnelelektronerne også påvirkes af de elektroner, som bliver tilbage i atomet.

Denne effekt er uden betydning i heliumatomer, som ETH-forskerne studerede i 2008, da der her kun er to elektroner i hvert atom.

Det er forskergruppen i Aarhus, der har udviklet en teori, der medtager alle disse komplicerede forhold.

Multielektroneffekten er i øvrigt så interessant, at forskere håber, de kan studere den nærmere i fremtiden. Men det kræver, at de forbedrer deres attosekund-ur yderligere.

Dokumentation

Attoclock reveals natural coordinates of the laser-induced tunnelling current flow in atoms

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

"Det er i modstrid med en ældre forudsigelse for tunneltiden baseret på den såkaldte Landuaer-Büttiker-teori, som groft sagt angiver, at tunneltiden er længden af tunnelbarrieren divideret med hastigheden for elektronen."

Eller med andre ord definitionen af hastighed?
- som jo så må være uendelig ved kvantemekanisk tunnelering...

  • 0
  • 0

Hvordan kan en elektron, som har en masse, flytte sig en afstand på nul tid? Fik jeg lige misforstået 'nul attosekunder' med 'ingen tid'? Vi det være muligt, såfremt elektronen ændrer sig til en masseløs partikel under operationen?

(Beklager det trivielle spørgsmål - jeg har ikke haft fysik siden gymnasietiden i 80'erne).

  • 0
  • 0

Mange spændende ting kan ske når man går fra klassisk "gymnasiefysik" til kvantefysik.

Grundlæggende er den barriere der tales om ikke en "stedslig" barriere, men en energibarriere. Elektronen er hele tiden i bevægelse, men har ikke energi nok til at komme igennem barrieren. Pludselig kommer den dog igennem alligevel, som om den var kommet igennem en tunnel. Deraf navnet "tunneleffekt".

  • 0
  • 0

"Det er i modstrid med en ældre forudsigelse for tunneltiden baseret på den såkaldte Landuaer-Büttiker-teori, som groft sagt angiver, at tunneltiden er længden af tunnelbarrieren divideret med hastigheden for elektronen."

Eller med andre ord definitionen af hastighed?
- som jo så må være uendelig ved kvantemekanisk tunnelering...

Det må også betyde at elektronen er tilstede to steder samtidigt.

  • 0
  • 0

"Det er i modstrid med en ældre forudsigelse for tunneltiden baseret på den såkaldte Landuaer-Büttiker-teori, som groft sagt angiver, at tunneltiden er længden af tunnelbarrieren divideret med hastigheden for elektronen."

Eller med andre ord definitionen af hastighed?
- som jo så må være uendelig ved kvantemekanisk tunnelering...

Der har længe været en diskusion af hvorvidt elektronen ophørte med at eksistere i en tilstand for at blive gendannet i en anden evt. et andet sted når den tunnelerer igennem en barriere eller om elektronen bevæger sig i klassisk forstand. Dette forsøg lader til at eliminere muligheden for en klassisk bevægelse.

  • 0
  • 0

Mange spændende ting kan ske når man går fra klassisk "gymnasiefysik" til kvantefysik.

Grundlæggende er den barriere der tales om ikke en "stedslig" barriere, men en energibarriere. Elektronen er hele tiden i bevægelse, men har ikke energi nok til at komme igennem barrieren. Pludselig kommer den dog igennem alligevel, som om den var kommet igennem en tunnel. Deraf navnet "tunneleffekt".

Men der er vel også tale om en "stedslig" translation som jeg læser artiklen, eller hvad? Der står, at elektronen momentant bliver flyttet flere atomradii, hvilket er en meeeget lang tur, når man er elektron. Kan kvanteeffekter ikke flytte partikler med masse diskontinuert i tid?

  • 0
  • 0

Umiddelbart har ud helt ret. Ifølge københavnerfortolkningen af kvantemekanikken betegner bølgefunktionen til en partikel dens sandsynlighed for at være et bestemt sted. Der er ikke noget matematisk, og derfor heller ikke fysisk i yderste konsekvens, i vejen for, at den netop diskontinuert flytter sig.

Man skal dog passe meget på, hvordan man formulerer sig, vil jeg mene. Niels Bohr ville formentlig, og det er jo svært at vide, sige, at det ikke giver mening at snakke om HVORDAN partikel bevæger sig, fordi vi ikke kan opnå viden om dette. Til gengæld kan man sige, at elektronen med meget stor sandsynlighed vil være i en form for sky omkring sit atom. Eksperimentet her lyder jo netop interessant, fordi man prøver at komme ind i netop, hvordan partikel bevæger sig, men det vil aldrig blive med sikkerhed, måske rejsetiden er 0,001 attosekunder..? det er ikke umiddelbart til at vide, men det kan sandsynliggøres.

  • 0
  • 0

Hvis jeg ikke tager meget fejl, har man tidligere vist, at når en elektron "skifter bane" i atomet, sker det også momentant ?

Den forklaring jeg hørte i en BBC-udsendelse om emnet var netop, at elektronen simpelthen ophørte med at eksistere og i samme splitsekund blev genskabt i en anden energitilstand.

  • 0
  • 0

Når en elektron skifter energitilstand i et atom, sker det momentant.
En forklaring er helt uden for den klassiske fysiks rækkevidde, og selv kvantefysisk må en forklaring benytte sig af en række antydninger - antydninger/vage forestillinger der får selv garvede fysikere til at ryste på hovedet.

  • 0
  • 0

Når nu elektronen momentant flytter sig fra en bane til en anden, vil der så være en ligeligt fordelt sandsynlighed for, at den kommer til at være hvor som helst i den nye bane ('skal'), eller vil der være en voldsomt meget større sandsynlighed for, at dens pacering i den 'nye skal' vil nære det punkt, der er nærmest det sted, den var i den 'gamle skal'?

Altså, vil startstedet i den 'nye skal' være tilfældigt? Eller er det bare mig, der gerne vil tro på, at vi kan konstatere præcist hvor elektronen befinder sig på et givent tidspunkt? Formentlig.

  • 0
  • 0

Det er ikke et simpelt spørgsmål, du stiller, men så vidt jeg ved, er der hverken tale om det ene eller det andet. Der er formentlig tale om, at det er en sandsynlighedsfordeling, som jeg ikke ved noget nærmere om. Hvor "tætpakket" denne sandsynlighedsfordeling er, ved jeg intet om.

Desuden er der ikke tale om, at der én bestemt placering, der ligger tættest på en indre "skal". Det er to elektronskyer, hvor der er en lang række positioner, der ligger "tættest" sammen, men dette er sådan set lige meget. Positionen x og impulsen p (hvilket siger noget om hastigheden) opfylder en usikkerhedsrelation:
delta(x)*delta(p)>=h/4π.

Det vil sige, at man rent faktisk ikke kan sige noget præcist om positionen og samtidig sige noget meget præcist om impulsen, altså hastigheden. Vores viden om systemet er begrænset, og det vil ligeledes sige, at man ikke kan sige med absolut sikkerhed, hvor partiklen vil "dukke op igen". Det er denne usikkerhedsrelation, der bl.a. giver anledning til "elektronskyerne". Bølgefunktionen, der beskriver sandsynlighedsfordelingen, er udbredt i princippet over hele universet, hvorfor der f.eks. er en sandsynlighed for, at elektronen pludselig er i atomets kerne, selvom den måske er lille.

Bevægelsen kan aldrig beskrives klassisk, hvilket altså betyder, at man ikke kan sige, at partiklen bevæger sig fra det ene sted til det andet. Det er formentlig det, der giver anledning til, at man siger det som, at den ophører med at eksistere et sted og så dukker op igen et andet sted. Men det ved jeg desværre ikke noget dybere om.

Nogen der kan hjælpe?

  • 0
  • 0